鄧旭教授團隊在 Nature Materials發表研究成果


近日,我姓嫒似教ㄍ?;A與前沿研究院鄧旭教授領導的膠體與智能界面團隊在國際頂尖期刊《自然材料》(Nature Materials,2018年影響因子39.235)上發表題為Surface charge printing for programmed droplet transport” 的研究論文真人平台网真人平台网。該研究實現了在不依靠外部能量供給情況下液滴的快速長距離自驅動傳輸,液滴甚至能從超疏水表面下端垂直向上迅速爬升真人平台网。

基礎與前沿研究院博士生孫強強為論文第一作者,基礎與前沿研究院鄧旭教授、香港城市大學王鉆開教授真人平台网、德國馬克斯-普朗克高分子研究所Hans-Jürgen Butt教授為論文通訊作者。電子科技大學基礎與前沿研究院為論文第一單位,這也是電子科技大學首次以第一單位在該期刊發表論文。

1.gif 

水往低處流的自然現象真人平台网。圖片來源:BestAnimations

 

“水往低處流”是自然界的普遍現象,這是由于受到重力的作用,使水的重力勢能轉化為動能而向下運動。在極度超親水的表面上,在毛細作用下液滴可以自下而上定向自發傳輸,產生類似于電子二極管的流體二極管行為[參考文獻1]。然而許多工程應用都要涉及到類似荷葉的超疏水的表面,在這樣的表面上液滴呈現球狀,水與固體表面有著非常小的接觸面積[參考文獻2]。為了實現在疏水表面上自發定向輸運,傳統的做法是依賴化學或者結構梯度,從而使液滴產生不對稱的驅動力,以克服三相接觸線釘扎產生的阻力。然而,現有的辦法都不可避免的存在傳輸速度慢或者傳輸距離短的缺點。盡管借助溫度場讓液滴維持在萊登夫洛施特(Leidenfrost)狀態從而實現液滴的快速運動[參考文獻3],但是額外的高溫給實際應用帶來一定的局限性。如何實現常溫環境下液滴的自發,快速和定向傳輸,甚至能克服重力從下往高處運動,是個懸而未決的挑戰。

 

2.gif 

3.jpg 

由可印刷的表面電荷密度梯度介導的液滴輸運. 圖片來源:參考文獻[4]

 

反.png

水滴反重力垂直向上傳輸真人平台网。圖片來源:參考文獻[4]

 

5.gif


水滴反重力懸掛傳輸。圖片來源:參考文獻[4]

該論文第一次引入電荷梯度的概念,即表面電荷密度梯度 (SCD gradient)真人平台网,通過控制撞擊高度的連續變化,打印出具有表面電荷密度梯度的特定路徑,進而引導水滴的自推進,成功地實現了液滴的快速真人平台网、長程、無損失傳輸真人平台网。這種室溫下類似萊登夫洛施特(Leidenfrost的傳輸能以高達1.1 m/s的速度自推進,傳輸距離理論上無限制?;谶@種表面電荷密度梯度介導的液滴運輸,研究人員展示了以水滴作為輪子的小車沿帶電路徑自推進的過程 (Cargo device)。同時,還發展了基于表面電荷打印方法的無槍頭式移液槍(Tipless pipette)真人平台网,可用于低表面能和高粘度液滴的無損失轉移。

 

自.png 

自推進機理和性能對比。圖片來源:參考文獻[4]

QQ截圖20190724132858.png 

8.jpg 

弧線及無限制傳輸。圖片來源:參考文獻[3]

 QQ截圖20190724133127.png

以電荷梯度路徑為軌道真人平台网真人平台网,水滴為輪子的載物裝置。圖片來源:參考文獻[4]

 10.jpg

 

無槍頭式移液槍的設計應用。圖片來源:參考文獻[4]

 

本文提出的固液界面接觸分離后的滯留電荷真人平台网,對流體動力學的影響是顯而易見的,因為在固液界面的動力學作用中,浸潤和帶電現象往往是同時存在的。打印表面電荷的方法使我們能夠開發新的傳感和驅動系統真人平台网,包括芯片實驗室、微流體器件和生物液滴分析裝置。液滴打印表面電荷在其他眾多領域還具有重要的應用和理論價值真人平台网,如納米自組裝、影印及靜電電化學等領域,同時這有助于加深對接觸帶電機理的理解。在設計其他多功能表面時真人平台网,這種疏水表面的電荷效應,也是值得關注的。

 

參考文獻:

[1] Jiaqian Li, Xiaofeng Zhou, Jing Li, Lufeng Che, Jun Yao, Glen McHale, Manoj Chaudhury, Zuankai Wang. Topological liquid diode. Science Advances, 3, eaao3530 (2017)

[2] Xu Deng, Lena Mammen, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer. Candle soot as a template for a transparent robust superamphiphobic coating. Science335, 67-70. (2012)

[3] Jing Li, Youmin Hou, Yahua Liu, Chonglei Hao, Minfei Li, Manoj Chaudhury, Shuhuai Yao, Zuankai Wang. Directional transport of high-temperature Janus droplet mediated by structural topography. Nature Physics, 12, 606-612 (2016)

[4] Qiangqiang Sun, Dehui Wang, Yanan Li, Jiahui Zhang, Shuji Ye,Jiaxi Cui, Longquan Chen, Zuankai Wang, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer, Xu Deng. Surface charge printing for programmed droplet transport. Nature materials (2019) (DOI: 10.1038/s41563-019-0440-2)

作者簡介

孫.jpg

孫強強真人平台网,基礎與前沿研究院2016級材料科學與工程專業博士研究生真人平台网,其主要研究內容為材料界面性質,包括界面浸潤性、表面電荷及與液體的相互作用。在Nature Materials真人平台网、Advanced Materials真人平台网、Nanotechnology等期刊發表論文13篇(一作5篇),申請國家發明專利3項真人平台网。

 

鄧.jpg 

鄧旭,電子科技大學基礎與前沿研究院教授。2015入選國家青年特聘專家。馬普中德聯合界面材料伙伴小組組長。主要從事膠體界面、物理化學真人平台网、仿生材料等相關研究真人平台网。承擔國際合作專項、國家自然科學基金項目多項,申請歐洲國家發明專利3項,美國發明專利2項。研究成果在Science, Nature Materials, PNAS, Nature communication, Physical Review Letter等國際著名雜志發表文章40余篇。他的科研成果 Nature Nanotechnology,Nature Physics,MIT Technology Review 等多次作為專題報道。 

 

 

團隊.png 

膠體與智能界面團隊

 

論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41563-019-0440-2

課題組主頁:http://www.ccsi.uestc.edu.cn/


真人平台网